JP2016536146A - Ｔｉｇ溶接システム - Google Patents

Abstract

互いに通信する制御装置を有する電源であって、この制御装置が少なくとも１つの波形を記憶するメモリを有する電源と、この制御装置に電気的接続された電極を備える溶接トーチであって、この電極が一定の長さと直径を有する溶接トーチと、制御装置と通信し、ユーザ選択された溶接アンペア数を受信するように構成されたアンペア数入力部とを備え、ユーザ選択されたアンペア数に基づいて少なくとも１つの波形のうちから１つの波形を選択し、この選択された少なくとも１つの波形に従って電源から電極に電力を供給するように制御装置がプログラムされ、この少なくとも１つの波形が、少なくとも１つのパルスを含むアーク開始段階を含み、このアーク開始段階中には、アークの電流または電圧をユーザが制御できないように制御装置が構成され、ユーザ選択された溶接アンペア数で定常状態に達すると、電極に印加されるアークの電流または電圧をユーザが制御できるように制御装置が構成される、ＴＩＧ溶接システムが提供される。【選択図】図２

Description

本出願は、２０１３年９月１６日出願の米国仮特許出願第６１／８７８，０８１号明細書の優先権およびその利益を主張する。

一般に、本発明はタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接システムに関する。より詳細には、本発明は、ＴＩＧの開始および制御の一貫性を実現するための自動パラメータ設定を有するＴＩＧ溶接システムに関する。

溶接システムは、現在の工業化時代の基礎をなしている。大規模な自動車組立作業から自動化された製造環境まで、これらのシステムによって、これまで以上に複雑な製造作業に従事することが容易になる。ホット・ワイヤ溶接またはコールド・ワイヤ溶接は、（たとえば電流を用いて）加熱され、主熱源（たとえば、とりわけプラズマ・アーク、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、フラックス・コア、レーザ）によって生成されるパドルが受けるワイヤまたは電極を処理する。

さらに、溶接には、レイジング（肉盛り：ｒａｉｓｉｎｇ）、クラッディング（肉盛り：ｃｌａｄｄｉｎｇ）、ビルディングアップ（肉盛り：ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｕｐ）、充填、表面硬化、オーバレイイング（肉盛り：ｏｖｅｒｌａｙｉｎｇ）、接合、および他の溶接用途が含まれ得る。被加工物が曲面を有しているとき、環状溶接プロセスを使用して、溶接ヘッドを回転させてこの曲面に溶接を施してもよい。環状溶接が使用される最も一般的な例は、管の溶接である。パイプ溶接は薄肉用途を含んでもよく、ここでは、溶接ヘッドが２つの部品端部の片方の表面の周りを回転し、この２つの部品端部が互いに接合される。あるいは、パイプ溶接は深い開先形状を有してもよく、ここでは、接合された２つのパイプの間に形成される開先まで溶接電極が延在し、続いて溶接材料のビーズを配置し、開先を満たして厚肉パイプを接合する。環状溶接システムは、ガイド・トラックもしくは締め付ける固定具に取り付けられるか、または他の方法で被加工物上に支持され、回転して溶接部を供給する溶接ヘッドを備えてもよい。環状溶接ではしばしば、先行カメラおよび／または後続カメラを用いた溶接区域の視認性が制限される。

ＴＩＧ溶接の使用を考慮すると、このＴＩＧ溶接は、環状溶接および非環状溶接、手溶接、または自動化溶接作業を含め、様々な溶接作業で使用してもよい。ＴＩＧ溶接は、タングステン電極を利用する。０，０２０インチ〜５／３２インチの範囲のいくつかの標準電極サイズが使用され、１／１６インチおよび３／３２インチが、最も一般的に使用される電極直径である。安定したアークを確立するために、ユーザは、電流／電圧の振幅、持続時間、周波数、アンペア数、および、交流（ＡＣ）溶接においては使用される電極に基づいてアークを調整するための正パルスと負パルスの比を調整することになる。ＴＩＧ溶接での主要段階は、アークの開始である。ユーザに利用可能な変数の数のせいで、アーク開始のための上記特定された複数のパラメータを調整することは困難である。

本発明は、請求項１に記載のＴＩＧ溶接システム、および請求項１０に記載のＴＩＧ溶接機を制御する方法を提案する。好ましい実施形態は、従属請求項から得ることができる。本発明の一実施形態によれば、互いに通信する制御装置を有する電源であって、この制御装置が少なくとも１つの波形を記憶するメモリを有する電源と、この制御装置に電気的接続された電極を備える溶接トーチであって、この電極が一定の長さと直径を有する溶接トーチと、制御装置と通信し、ユーザ選択された溶接アンペア数を受信するように構成されたアンペア数入力部とを備え、ユーザ選択されたアンペア数に基づいて少なくとも１つの波形のうちから１つの波形を選択し、この選択された少なくとも１つの波形に従って電源から電極に電力を供給するように制御装置がプログラムされ、この少なくとも１つの波形が、少なくとも１つのパルスを含むアーク開始段階を含み、このアーク開始段階中には、アークの電流または電圧をユーザが制御できないように制御装置が構成され、ユーザ選択された溶接アンペア数で定常状態に達すると、電極に印加されるアークの電流または電圧をユーザが制御できるように制御装置が構成される、ＴＩＧ溶接システムが提供される。

本発明の別の実施形態では、ＴＩＧ溶接機を制御する方法は、アンペア数入力を受信するステップと、このアンペア数入力に基づいてメモリから波形を選択するステップであって、この波形がアンペア数入力に従って推定されたパラメータを含み、この波形がアーク開始段階および順次実行段階を含むステップと、波形に従って電極を励振するステップと、アーク開始段階中は、電極へのエネルギーの制御をユーザができないようにするステップとを含む。

本発明の上記その他の目的は、図面、詳細な説明、および添付特許請求の範囲に照らして考えると明らかとなろう。

本発明では、部品のある部分および構成に物理的形態をとることがあり、本発明の好ましい実施形態は、本明細書で詳細に説明することにし、その一部分を形成する添付図面に示すことにする。

図１は、本発明による溶接システムの部分的な概略斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態による溶接システムの概略図である。 図３は、本発明の一実施形態による溶接システムの概略図である。 図４は、アーク開始段階での本発明による波形の一実施形態を示すグラフである。 図５は、アーク開始段階での本発明による波形の一実施形態を示すグラフである。 図６は、本発明によるアーク開始段階の制御を示す流れ図である。 図４は、被加工物上の端部を検出することに基づいて、溶接ワイヤの励振を調整する溶接システムを示す図である。 図５は、被加工物上の「Ｖ」開先にウィービング溶接作業を実行する溶接順序を示す図である。 図６は、入力アンペア数に基づいて、アーク開始のための波形を選択するステップの流れ図である。 図７は、電極および入力アンペア数がアーク開始に適しているかどうか判定した後、入力アンペア数に基づいてアーク開始のための波形を選択するステップの流れ図である。 図８は、順次実行段階での入力開始電流に基づいて、溶接作業の順次実行段階を制御するステップの流れ図である。

本発明の実施形態は、予めプログラムされた複数の波形を含む溶接作業用の電源に関する方法およびシステムに関する。予めプログラムされた波形のうちの１つが、ユーザによって入力されるアンペア数に基づいて選択される。

本明細書での「ｗｅｌｄｉｎｇ（溶接）」または「ｗｅｌｄ（溶接）」は、これら用語の他の任意の成語要素を含めて、電気アークの作業を通して溶融材料を付着させることを指すことになり、この電気アークには、それだけには限定されないが、サブマージ・アーク、ＧＭＡＷ、ＭＡＧ、ＭＩＧ、ＴＩＧ溶接、または環状溶接システムで使用される任意の電気アークが含まれる。本明細書での「電極」は、様々なアーク・プロセス用の従来電極、消耗電極、非消耗電極、ならびに、被加工物上にパドルを形成するための光源からレーザ光線を供給し、集束させる（または焦点をぼかす）ための光学装置について記述する。

次に、本特許出願を出願する時点で出願人に知られている最良の形態を説明するための、発明を実施するための最良の形態を説明することにする。各例および各図は専ら例示的なものであって、本発明を限定するものではなく、本発明は、特許請求の範囲に記載の範囲および精神によって判断する。次に各図面を参照すると、これらの説明は専ら本発明の例示的な実施形態を説明するためのものであって、それを限定するものではなく、図１〜６には、手動、自動、または半自動の溶接システムで使用される溶接システムが示してある。溶接システムの説明に役立つ一例が、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接またはガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）である。

図１〜６には、ＴＩＧ溶接システム１００（溶接機、システム、溶接システム、および／または溶接機システムとも呼ぶ）が示してある。溶接システム１００は、溶接電源および制御装置を備える。制御装置は、電源１１０の一部分として作製してもよく、またはオペレータ制御用のペンダントもしくは他の遠隔装置などの遠隔制御装置でもよい。遠隔制御装置を使用するとき、この遠隔制御装置と溶接機の間の通信は、知られている任意の有線または無線の通信形態で実施してもよい。図示した例では、制御装置１６０（図１、２）は、溶接機１００の電源を有するハウジング内にある。アーク、および液化されて被加工物上に溶接材料を付着させるホット・ワイヤまたはコールド・ワイヤを含む任意の溶接作業で、主題の新機軸を使用することができる。

制御装置１６０は、プログラマブル・ロジック・コントローラまたはコンピュータ・ベースの制御装置を備える、任意の適切な制御装置でもよい。本発明の様々な態様についてさらに説明するため、以下の議論では、本発明の様々な態様を実装することができる適切なコンピューティング環境の概要を簡潔に述べるものである。本発明はこれまで、１つまたは複数のコンピュータ上で実行できるコンピュータ実行可能な命令の一般的状況において説明してきたが、本発明はまた、他のプログラム・モジュールと組み合わせて、ならびに／またはハードウェアおよび／もしくはソフトウェアの組合せとして実施してもよいことが当業者には理解されよう。一般に、プログラム・モジュールは、ルーチン、プログラム、コンポーネント、データ構造などを含み、これらは特定のタスクを実行し、または特定の抽象データ型を実装する。

さらに、発明性のある方法は、シングルプロセッサまたはマルチプロセッサのコンピュータ・システム、ミニコンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、ならびにパーソナル・コンピュータ、ハンドヘルド・コンピューティング装置、マイクロプロセッサ・ベースまたはプログラマブルの家庭用電化製品などを含め、他のコンピュータ・システム構成で実施してもよく、これらのそれぞれを、１つまたは複数の関連する装置に動作可能なように結合してもよいことが当業者には理解されよう。本発明の例示した態様はまた、通信ネットワークを介してリンクされる遠隔処理装置によってある種のタスクが実行される、分散コンピューティング環境において実施してもよい。分散コンピューティング環境においては、プログラム・モジュールは、ローカルのメモリ記憶装置と遠隔のメモリ記憶装置の両方に配置してもよい。たとえば、遠隔データベース、ローカル・データベース、クラウドコンピューティングのプラットフォーム、クラウド・データベース、またはそれらの組合せを、処理構成要素とともに利用することができる。

制御装置１６０は、本発明の様々な態様を実装するための、コンピュータを含む例示的な環境を利用することができ、ここでコンピュータは、処理装置、システム・メモリ、およびシステム・バスを備える。システム・バスは、それだけに限定されないが、システム・メモリを含むシステム構成要素を処理ユニットに結合する。処理ユニットは、様々な市販のプロセッサのうち任意のものでもよい。デュアル・マイクロプロセッサおよび他のマルチプロセッサ・アーキテクチャも、処理ユニットとして利用することができる。

システム・バスは、様々な市販のバス・アーキテクチャのうち任意のものを使用する、メモリ・バスまたはメモリ制御装置、周辺装置バス、およびローカル・バスを備えるいくつかのタイプのバス構造のうちの任意のものとすることができる。システム・メモリには、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）およびランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）が含まれ得る。起動中などに制御装置１６０内の各要素間で情報を転送する助けとなる基本ルーチンを含む、基本入出力システム（ＢＩＯＳ）がＲＯＭに記憶される。

制御装置１６０はさらに、たとえば取外し可能ディスクとの間で読み書きするための、ハード・ディスク・ドライブ、磁気ディスク・ドライブを備えることができ、たとえばＣＤ−ＲＯＭディスクを読み取るため、または他の光媒体との間で読み書きするための光ディスク・ドライブを備えることができる。制御装置１６０は、少なくともいくつかの形式のコンピュータ読取り可能な媒体を備えることができる。コンピュータ読取り可能な媒体は、コンピュータがアクセスできる利用可能な任意の媒体とすることができる。一例として、また限定することなく、コンピュータ読取り可能な媒体は、コンピュータ記憶媒体および通信媒体を含んでもよい。コンピュータ記憶媒体には、コンピュータ読取り可能な命令、データ構造、プログラム・モジュール、または他のデータなど、情報を記憶するための任意の方法または技術で実装された、揮発性および不揮発性、取外し可能および取外し不可能な媒体が含まれ得る。コンピュータ記憶媒体は、単にメモリ１６５と称してもよく、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、もしくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、もしくは他の磁気記憶装置、または、所望の情報を記憶するのに使用することができ、制御装置１６０からアクセスすることができる他の任意の媒体を含むが、それだけには限定されない。

通信媒体は通常、搬送波または他の搬送機構などの変調されたデータ信号内に、コンピュータ読取り可能な命令、データ構造、プログラム・モジュール、または他のデータを包含し、任意の情報送達媒体を含む。用語「変調データ信号」は、信号内に情報を符号化するように設定または変更された、その特性のうち１つまたは複数の特性を有する信号を意味する。一例として、それだけには限定しないが、通信媒体は、有線ネットワークまたは直接配線接続などの有線媒体、および、音波、無線周波数（ＲＦ）、近距離無線通信（ＮＦＣ）、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）、赤外線、および／または他の無線媒体などの無線媒体を含んでもよい。上記任意の組合せも、コンピュータ読取り可能な媒体の範囲内に含まれるべきである。

オペレーティング・システム、１つまたは複数のアプリケーション・プログラム、他のプログラム・モジュール、およびプログラム・データを含め、複数のプログラム・モジュールを各ドライブおよびＲＡＭに記憶することができる。制御装置１６０内のオペレーティング・システムは、市販されている複数のオペレーティング・システムのうち任意のものとすることができる。

さらに、ユーザは、キーボードおよびマウスなどのポインティング装置を介して、コマンドおよび情報をコンピュータに入力してもよい。他の入力装置には、マイクロホン、ＩＲ遠隔制御装置、トラック・ボール、ペン型入力装置、ジョイスティック、ゲーム・パッド、デジタイズ用タブレット、衛星用パラボラ・アンテナ、スキャナなどが含まれ得る。上記その他の入力装置は、システム・バスに結合されたシリアル・ポート・インターフェースを介して処理ユニットに接続されることが多いが、パラレル・ポート、ゲーム・ポート、ユニバーサル・シリアル・バス（「ＵＳＢ」）、ＩＲインターフェース、および／または様々な無線技術によって接続されてもよい。ビデオ・アダプタなどのインターフェースを介して、モニタ（たとえば、表示装置１１５）または他のタイプの表示装置もシステム・バスに接続してよい。視覚出力はまた、リモート・デスクトップ・プロトコル、ＶＮＣ、Ｘ−Ｗｉｎｄｏｗシステムなど、遠隔表示ネットワーク・プロトコルを介して実現してもよい。視覚出力に加えて、コンピュータは通常、スピーカ、プリンタなど他の周辺出力装置を含む。

表示装置（表示装置１１５に加えて、またはその一部分）を、制御装置１６０とともに利用して、処理ユニットから電子的に受信されるデータを提示することができる。たとえば、表示装置は、データを電子的に提示する、ＬＣＤ、プラズマ、ＣＲＴなどのモニタとすることができる。あるいは、またはさらに、表示装置は、プリンタ、ファクシミリ装置、プロッタなどのハード・コピー形式で受信データを提示することができる。表示装置は、任意の色でデータを提示することができ、任意の無線もしくはハード・ワイヤのプロトコルおよび／または標準を用いて、制御装置１６０からデータを受信することができる。別の例では、制御装置１６０および／またはシステムは、とりわけ携帯電話、スマートフォン、タブレット、携帯ゲーム機、携帯型インターネット・ブラウジング装置、Ｗｉ−Ｆｉ装置、携帯型情報端末（ＰＤＡ）など、モバイル装置とともに利用することができる。

コンピュータは、１つまたは複数の遠隔コンピュータなど、１つまたは複数のコンピュータへの論理的および／または物理的な接続を使用するネットワーク化された環境で動作することができる。１つまたは複数の遠隔コンピュータは、ワークステーション、サーバ・コンピュータ、ルータ、パーソナル・コンピュータ、マイクロプロセッサ・ベースの娯楽機器、ピア装置、または他の一般的なネットワーク・ノードとすることができ、通常、コンピュータに関して述べた要素の多くまたはその全てを含む。図示した論理接続は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）および広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む。このようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータ・ネットワーク、イントラネット、およびインターネットでは普通である。

ＬＡＮネットワーキング環境で使用するとき、コンピュータは、ネットワーク・インターフェースまたはアダプタを介してローカル・ネットワークに接続される。ＷＡＮネットワーキング環境で使用するとき、通常、コンピュータはモデムを備え、またはＬＡＮ上の通信サーバに接続され、またはインターネットなどのＷＡＮ上での通信を確立するための他の手段を有する。ネットワーク化された環境では、コンピュータに関連して示したプログラム・モジュールまたはその各部分を、遠隔メモリ記憶装置に記憶してもよい。本明細書に記載のネットワーク接続は例示的なものであり、コンピュータ間の通信リンクを確立する他の手段を使用してもよいことが理解されよう。

あるいは、またはさらに、ローカルまたはクラウド（たとえば、とりわけローカル、クラウド、遠隔）のコンピューティング・プラットフォームを、データの集約、処理、および送達用に利用することができる。このために、クラウドコンピューティング・プラットフォームは、特定の遠隔地に複数のプロセッサ、メモリ、およびサーバを備えることができる。サービスとしてのソフトウェア（ＳａａＳ）の考え方の下では、複数のユーザによって単一アプリケーションが利用されて、クラウド内に存在するデータにアクセスする。このようにして、データ処理が一般にクラウド内で実行され、それによってユーザのネットワーク資源を解放するので、ローカル・レベルでの処理要求事項が軽減される。サービスとしてのソフトウェア（ＳａａＳ）のアプリケーションによって、ユーザは、（たとえば、ウェブ・ブラウザを用いて）ウェブ・ベースのサービスにログインできるようになり、このサービスがクラウド内に存在する全てのプログラムを管理する。

一例では、タブレット、パッド、ラップトップ、携帯電話、コンピュータ、または他の構成要素などのコンピューティング装置でのウェブ・ベースのアプリケーションを用いて、ローカルまたはクラウドのデータベース（たとえば、とりわけローカル・データベース、クラウド・データベース）のコンピューティング・プラットフォーム（たとえば制御装置１６０）に、複数のユーザがアクセスできる。ウェブ・ベースのアプリケーションによって、ほぼ任意の形式で、また性能ベンチマークなどいくつかのメトリクスと比較してデータを定量化する特定のレポートを、ユーザが構成できるようになる。さらに、ソフトウェア・アプリケーションを更新し、世界中に配信して、各ユーザが最新かつ最も優れた技術を使用していることを確実なものにすることができる。

本発明の一態様によれば、制御装置１６０はアンペア数入力部１７０を含む。アンペア数入力部１７０は、ノブ、スライダ、トグル、押しボタン、数字キーパッド、＋／−キー、またはタッチ・スクリーンを含むが、それだけには限定されない、任意のデジタルまたはアナログ入力部でもよく、この入力部によって、ユーザは、所望のアンペア数を直接入力できるようになり、または、一連のアンペア数値もしくはプリセットされた複数のアンペア数値から選択できるようになる。制御装置１６０は、溶接プロセスで使用される１つまたは複数の波形を記憶するメモリ構成要素１６５を備える。ユーザによって入力されるアンペア数、またはアンペア数が選択されないときはデフォルトのアンペア数に基づいて、溶接作業またはその一部のために電源によって生成される波形を制御装置が選択する。たとえば、溶接プロセスの段階に応じて波形が変化してもよい。ＴＩＧ溶接では通常、電源は最初に高周波段階に入り、これがアーク開始段階へと続く。アークが首尾よく開始すると、電源は溶接順次実行段階に入る。アーク開始段階に注目すると、ユーザ選択されたアンペア数またはデフォルトのアンペア数に基づいて、アーク開始波形が決定される。波形は、それだけには限定されないが、電流／電圧パルス振幅、パルス持続時間、パルス周波数、パルス極性、および正負パルス比（ＡＣ溶接の場合）、ならびに、順次実行段階の開始である開始電流（ＳＣ）にどのように遷移するのかを含む。これらのパラメータは、所与のアンペア数について予めプログラムされるか、または外挿されるので、ユーザは、溶接作業を実行するためにこれらのパラメータを微調整しなくてもよい。本発明の一態様によれば、制御装置は、電流／電圧のユーザ入力、またはアーク開始段階において電極へのエネルギーを制御することになる他の入力を防止し、その結果、アーク開始段階の制御は制御装置だけに限定されている。これにより、ユーザにとってセットアップ・プロセスが非常に簡略化され、ユーザは溶接作業を実行することに集中できるようになる。

本発明の他の態様によれば、ユーザは、溶接作業用の所望のレベルの開始電流を入力してもよい。図３に示すように、所望の開始電流を制御装置１６０に伝達するための開始電流入力部１８０が設けられている。図５に最もよく示してあるように、溶接作業の順次実行段階中に、制御装置によって、設定開始電流まで開始電流が加えられる。順次実行段階に先行して、電極への電力は通常、この順次実行段階が始まる前に、非常に低いレベルすなわち２アンペア未満にまで下降する。図５の破線は、既存の順次実行段階を表しており、ここで、順次実行段階での開始電流ＳＣＥは非常に少ない（ほぼ０）。この場合の順次実行段階は対称形であり、波形は、低いレベルから開始電流、そして定常電流ＳＳＣへと上昇し、次いで（終了するための）収束電流まで下降する。本発明によれば、ユーザが選択またはダイヤル選択した溶接電流に関連する所定の最小開始電流が、許容しうる開始電流（ＳＣ）範囲を制限することになる。確立されたアークを溶接電流にまで滑らかに遷移させるには、これが重要である。これにより、また、エネルギーの流れが効率的に継続する。波形ラインは、上昇または下降するアーク開始段階から、所望の開始電流ＳＣまで遷移する。図示した例では、アーク開始段階での電流パルスは、パルス高が徐々に低くなるとともに下降した後、所望の開始電流に達する。所望の開始電流ＳＣに達すると、波形２００は、順次実行段階に遷移する。図に示すように、順次実行段階は、設定開始電流ＳＣから開始し、定常電流まで上昇した後に終了し、ほぼ０の電流にまで下降する。破線の既存波形は、ユーザがダイヤル選択した低い開始電流ＳＣＥから上昇し、結果として、エネルギー／電力を溶接プールに供給するサイクル時間が本発明の順次実行段階よりも長くなる。図示した例では、開始電流ＳＣＥの既存システムと本発明の開始電流ＳＣとの間での供給エネルギー／電力の差が、斜線部分に示してある。さらに、本発明により、定常状態から低下する際の完全制御が可能になる。破線の例に示すように、相対的に高い開始電流を使用する場合、低下する結果として開始電流値まで戻ることになるよう、既存の用途では対称な波形が求められる。本発明では、開始電流ＳＣとは無関係に制御される下降が実現され、開始電流のレベル以外のレベルまで低下することができる。たとえば図に示すように、それだけには限定されないが、図に示すようなほぼゼロのレベルを含む、開始電流レベルよりも低いレベルで収束することがある。この例では、ほぼゼロ・アンペアまで収束するのを利用して、クレータを最小限に抑え、溶接内で発生する亀裂を防止する。

本発明の制御装置１６０は、１８０でユーザが入力する開始電流ＳＣを取得し、初めに、２ステップ・モードでの間接最小電流としてこれを使用し、間接最大電流として溶接電流を使用する。開始状態を経過すると、ユーザは、たとえば足踏みペダルでの遠隔ポテンショメータを完全に制御して、溶接中の電流を制御するようになる。図５に示すように、波形２００はプリフロー期間を含んでもよく、この期間では開始電流でアークが維持され、ガス源１０２からのシールド・ガスの流れが開始される。プリフロー期間の後、アークは溶接電流まで上昇してもよく、図１に示すように、システム制御装置１６０から、足踏みペダル、遠隔ポテンショメータ、またはノブなどのユーザ操作制御装置１９５まで制御が移る。溶接プロセスが完了した後、システム制御装置１６０は、ユーザ操作制御装置１９５から離れて、制御装置１６０が選択した波形２００までアーク電流の制御を移すことによって、制御を再開してもよい。この時点で、波形は収束電流または終了電流を含み、ここで、選択された低い値まで電流が下降する。この低い値は、ユーザが独立して選択したほぼゼロの値でもよく、または、機械の品質性能に従って選択された他の値でもよい。次いで、制御装置１６０は、ポストフロー段階を実行し、ここで一定期間シールド・ガスが流れ続け、これにより溶接部が硬化するまでシールド・ガスの流れを維持することによって汚染の可能性が低減する。最小収束電流は、設定開始電流とは別のものになる。収束させるための最小電流は、溶接機械が実現できる限り低くすることができる。

設定溶接電流に従って最小開始電流を事前設定することにより、アーク開始プロセスは、まず合理的な事前設定電流で開始シーケンスを経て、初心者ユーザがアークを安定化するのに困らないようにする。続いて、この電流は、最適化された時間フレームで上昇し、または開始電流まで下降することになる。この電流は、順次実行段階の初期段階においてのみ、ユーザ操作制御装置１９５向けの最小電流として扱う。この段階の後、ユーザは、収束状態に達するまでユーザ操作制御装置１９５を用いて電流を制御し、これは制御装置１６０によって制御される。

図１を参照すると、溶接システム１００は、電源１１０に電気的接続された、全体として１２０で示した溶接トーチを有するＴＩＧ溶接機である。トーチ１２０は、タングステン電極１０１、および溶接材料を溶着させて被加工物Ｗ上に溶接継手を形成するのに使用される消耗ワイヤ１０５を含んでもよい。電極１０１の長さは、所与の溶接用途に適したものでよく、したがって適切な任意の長さを選択してもよい。同様に、電極の直径は、標準サイズの電極から選択してもよく、これは通常、０．０２０インチ〜５／３２インチの範囲にあり、または特定用途向けの直径を選択してもよい。ユーザは、選択されたアンペア数に基づいて、ＡＣまたはＤＣ溶接作業向けに適切なサイズ（直径）の電極を選択してもよい。所与のアンペア数に対して直径が大きすぎる電極を選択すると、アークが先端部の周りに回転するようになり、直径が小さすぎると、アークがタングステン電極を蒸発／破壊させることが理解される。場合によっては、電極の直径はユーザが入力してもよく、またはこの直径を制御装置が検出して、選択されたアンペア数にこの電極が適しているかどうか示してもよい。たとえば、ユーザが選択した後、またアーク開始の前に、制御装置は、選択されたアンペア数に電極が適しているかどうかの指示をユーザに提示してもよい。この指示は、任意の聴覚、視覚、もしくは触覚の合図、またはそれらの組合せでもよい。たとえば、指示ＬＥＤは、選択されたアンペア数に対して電極が適切なサイズのときは緑色、またはそれが適切なサイズでないときは赤色でもよい。

溶接トーチ１２０は、シールド・ガス供給装置１０２に接続されており、この供給装置が、溶接トーチ１２０にアルゴン・ガスなどの不活性ガスを供給する。溶接ガス供給装置１０２は、円筒などの容器を備えてもよく、この容器が圧力の下でシールド・ガスＳを格納し、適切なチューブまたは他の導管を介したシールド・ガスＳの供給を、レギュレータまたは他の制御装置よ１０７によって制御することができる。非加圧の供給源を使用することもでき、ポンプなどによってガスを供給することができる。厚い板または厚肉管を溶接するとき、溶接継手の設計では通常、狭い開先を設け、トーチ角度を多少調整して細長い電極を継手内に配置できるようにして、接合部がふさがれるまで一連の溶接ビードを互いに積層化することによって作製される良好な溶接部を確実なものにする。このプロセスは、以下の説明では区別なく狭開先溶接または深開先溶接と呼んでもよい。狭開先溶接は、連続した単一のビード溶接層が、狭い開先すなわち接合部に互いに積み重ねられるプロセスである。狭開先環境で考慮すべきことの１つが、十分なシールド・ガスを維持して、溶融した溶接パドルを大気汚染から保護することである。通常、アルゴンなどの不活性シールド・ガスが溶接継手の外から供給され、このシールド・ガス供給部の下方で長い電極が開先まで延在する。

溶接機はワイヤ供給装置を備えてもよく、この装置は、１つまたは複数のワイヤ・ガイド１０４にタングステン・ワイヤＷを供給するスプール１０３など溶接ワイヤの供給部に接続されている。図に示した例では、１対の延在したワイヤ・ガイド１０４が設けられ、これは、スプール１０３または消耗性ワイヤの他の適切な供給部によって供給される。

システム１００は、このシステム１００に関連する溶接パラメータを制御して、溶接電極１０１の励振を調整するように構成された制御装置１６０を備える。一般に、溶接パラメータは、ユーザからの入力に基づいて制御装置１６０によって調整することができる。たとえば、本発明の一実施形態（図２）によれば、ユーザによってアンペア数が事前に選択される。そのために、アンペア数入力構成要素１７０が設けられて、ユーザの入力を受信する。先に述べた通り、アンペア数入力構成要素は、アンペア数値を制御装置１６０に提供する任意の手段でもよく、この手段には、それだけに限定されないが、ノブ、スライダ、レバー、もしくは、事前に選択された範囲内のアンペア数もしくは一連のアンペア数値を選択するための他の機械装置、数字キーパッド、＋／−セレクタ、もしくはアンペア数値を入力するための他の装置、またはそれらの組合せが含まれる。

一例として、限定はしないが、溶接パラメータには、選択されたアンペア数に基づく波形の選択、およびこの選択された波形に基づく溶接電極１０１の励振の選択が含まれ得る。当然のことながら、波形には、パルス高、持続時間、極性、周波数、およびＡＣ電流を使用するときは正パルスと負パルスの間の比を含むパラメータが組み込まれる。これらのパラメータは、溶接作業の段階に応じて変化してもよい。典型的な段階は、高周波予備アーク開始段階、アーク開始段階、および順次実行段階を含む。図４には、３００アンペアの入力に基づいてアーク開始段階向けに選択された、１つの例示的な波形が示してある。この例での波形１９０は、ＡＣ溶接作業についてのものであり、第１のパルスＰ１が正であり、第２のパルスＰ２が負である。第１のパルスのパルス持続時間すなわちハルス幅はＤ１であり、第２のパルスの持続時間はＤ２で示してある。波形１９０は、パルスの正側持続時間と負側持続時間の間の事前設定された比を示す。この比は、正および負のパルス持続時間が等しいときは１対１の比となり、正または負のパルス持続時間の何れかが、もう一方の値より長いときには値が等しくならないことがある。図示した例では、第１のパルス持続時間は第２のパルス持続時間よりも長く、その結果、正側対負側の比が１対１よりも大きくなる。正側対負側の比が１未満になる場合も利用することができる。図示した波形は、ほんの一例である。波形は、試行錯誤を重ねて作り出し、制御装置１６０のメモリ１６５にプログラムしてもよいことが理解されよう。

選択された溶接電流（アンペア入力部１７０）を使用する本発明によれば、相対的に狭い範囲の溶接電極サイズを実現してもよい。事前選択されたアンペア数に従って、制御装置１６０によって開始パラメータが計算される。これには、再点孤の数および持続時間、アーク開始、電流パルスの振幅および持続時間、ならびに順次実行段階においてどのようにしてパルスが先細りになり、または開始電流値まで上昇するのか、ならびにポストフローに連動した収束電流が含まれる。これにより、アークは確実に、安定したままかつ緩やかに開始し、したがって被加工物Ｗが溶落ちすることはない。

複数の波形は、メモリ１６５に記憶し、選択されたアンペア数値に対応してもよく、または、制御装置１６０が波形を選択して、ユーザが入力したアンペア数値に基づいて電極１０１に伝達するように、選択された波形についてアンペア数の範囲を定義してもよい。場合によっては、ユーザがアンペア数を選択できない場合、デフォルトのアンペア数を定義してもよく、または他の入力装置からのフィードバックに基づいて選択してもよい。たとえば、先に述べた通り、制御装置１６０と通信する直径センサ１７５によって電極の直径を監視してもよく、またはユーザが制御装置１６０に電極１０１の直径を入力してもよい。こうした場合、制御装置１６０は、電極１０１の直径に基づいて、デフォルトのアンペア数を選択してもよい。アンペア数が得られると、制御装置１６０は、選択されたアンペア数に基づいて、事前設定された波形を提供して、波形に従って電極１０１に電力を印加する。

図に示すように、制御装置１６０は、波形発生器１５０と通信して、波形を選択し、電極１０１を励振してもよい。本発明の他の実施形態によれば、選択された開始電流を供給してもよい。選択された開始電流は、一実施形態によるアンペア数入力部１７０に基づいて、制御装置によって事前設定してもよい。あるいは、図３に示すように、開始電流はユーザが選択してもよい。そのために、制御装置１６０は、開始電流入力構成要素１８０と通信してもよい。図５に最もよく示してあるように、ユーザ入力の制御装置によって選択される開始電流ＳＣは、既存の装置が通常使用する（２アンペア未満またはほぼゼロの）低い値よりも大きくてよく、したがって、順次実行段階に入ると、波形によって、溶接プールまたはパドルにエネルギーが早期に供給される。これによって、アーク開始段階から順次実行段階への遷移も可能になって、さらに安定になるが、それというのもアーク開始から開始電流までのパルス高遷移の振幅が低減するからである。本発明の他の態様によれば、開始電流は、溶接アンペア数すなわち溶接電流よりも少ない。その結果、開始電流に達した後に、波形によって開始電流から溶接電流へとさらに遷移する。図５に示すように、これには、定常状態の開始電流が得られた後の溶接電流への上昇が含まれ得る。

制御装置１６０は、１つまたは複数の溶接パラメータを、単独でまたは組み合わせて調整できることを理解されたい。それだけには限定されないが、ワイヤ供給速度、トーチの曲がりくねった動きまたは他の動き、パドルの温度などを含む追加のパラメータを、制御装置１６０によって調整および／または監視してもよい。したがって、議論しているパラメータの制御は、制御装置１６０が他のパラメータを制御できるかどうかに関して限定的なものとみなすべきではない。

システム１００は、様々な構成および実施形態を含むことができ、このシステム１００での構成は、主題の革新性を限定するものではないことを評価および理解されたい。ワイヤ供給装置１３０は、（図に示すような）独立型の構成要素とすることができ、溶接ワイヤ電源１１０、制御装置１６０、またはシステム１００の他の構成要素に組み込むことができる。溶接ワイヤ電源１４０および電源１１０は、別々の電源、単一の電源、またはそれらの組合せとすることができることを理解されたい。制御装置１６０は、独立型の構成要素とすることができ、電源１１０に組み込むことができ、トーチ１２０、またはシステム１００の構成要素に組み込むことができる。

前述の例示的な装置および要素に鑑み、開示された主題に従って実装できる方法が、図６〜８の流れ図および／または方法を参照してよりよく理解されよう。方法および／または流れ図は、一連のブロックとして示して説明してあり、特許請求される主題は、これらブロックの順序によって限定されることはなく、ブロックによっては、本明細書に図示し説明したものとは異なる順序で、かつ／または他のブロックと一緒に現れてもよい。さらに、例示した全てのブロックが、以下に説明する方法および／または流れ図を実装するように求められなくてもよい。

順次、以下が、図６の決定木流れ図６００に示すように実行され、これは、アーク開始においてユーザによって入力されるアンペア数に基づいて溶接電極の励振を制御する流れ図６００である。したがって、アーク開始のためのアンペア数入力１７０が、制御装置１６０への入力を介して、６１０でユーザから受信される。制御装置１６０は、６２０で、メモリ１６５記憶された複数の波形から少なくとも１つの波形を選択し、選択された波形を使用して電極１０１でアークを開始する（６３０）。場合によっては、前述の通り、適所で検査して、電極の直径および入力アンペア数が適切かどうか判定してもよい。図７に示すように、７１０で入力アンペア数を受信した後、電極直径センサ１７５からのフィードバックまたはユーザからの入力に基づいて、制御装置１６０は、電極の直径および入力アンペア数が互いに適切かどうか判定してもよい。適切でない場合、７２５で指示を出して、電極およびアンペア数が適切にマッチしておらず、ユーザがアンペア数を再選択し、または電極の直径を変更できるようにすることをユーザに警告してもよい。電極およびアンペア数が適切な場合、制御装置１６０は、７３０で、入力アンペア数に基づいてメモリ１６５に記憶された複数の波形から少なくとも１つの波形を選択し、７４０で、選択された波形を用いてアークを開始する。

本発明の他の態様によれば、順次実行段階の開始の制御は、ユーザが入力する選択された開始電流に基づいてもよい。しかし、実際の開始電流ＳＣの範囲は、溶接電流によって決まる。図８の流れ図には、本発明のこの態様を実施するための実現可能な一連のステップが示してある。前述の通り、順次実行段階向けの開始電流入力の使用は、独立していてもよく、または前述のアーク開始電流入力と組み合わせて使用してもよい。開始電流入力構成要素が設けられ、８１０で開始電流入力が受信される。入力開始電流に基づいて、制御装置１６０は、アーク開始パルスを開始電流へと移行させることによって、８２０でアーク開始段階から順次実行段階に遷移する。制御装置１６０は、電流波形の制御を維持して、８３０において、選択された開始電流で順次実行段階を開始する。順次実行段階が開始した後、８４０で、制御装置は、アーク電流の制御をユーザ操作制御装置に移す。このユーザ操作制御装置は、足踏みペダルなどの遠隔制御装置でもよく、これによって、ユーザは溶接作業中の電極１０１への電流を制御できるようになる。溶接作業の最後８５０に、制御がユーザ操作制御装置からシステム制御装置１６０に移って、アークが収束する。制御装置１６０は、ほぼ０のレベル、または良好な溶接を生成できる他のレベルもしくは適切な基準に従って許容できる他のレベルにアークを移行させる。これまでに示したように、ユーザ操作制御装置から制御が移行するとき、システム制御装置は排他的制御を引き受けて、ユーザ入力を許可しない。

前述の例は、本発明の様々な態様のいくつかの実現可能な実施形態を単に説明するものであり、この明細書および添付図面を読んで理解すれば、当業者なら同等な変更形態および／または修正形態を思いつくことになる。特に、前述の構成要素（組立体、装置、システム、回路など）によって実行される様々な機能に関しては、本発明の例示した実装形態での機能を実行する開示された構造とは構造的に同等ではないが、こうした構成要素を記述するのに使用される用語（「手段」への言及を含む）は、別段の定めがない限り、記述された構成要素（たとえば、機能的に同等である）の指定された機能を実行する、ハードウェア、ソフトウェア、またはその組合せなど任意の構成要素に対応するものである。さらに、本発明の特定の特徴が、いくつかの実装形態のうちのほんの１つに関して開示されてきたが、こうした特徴は、必要に応じて、また任意の所与のまたは特定の用途にとって有利になるよう、他の実装形態の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせてもよい。また、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」、「ｈａｓ」、「ｗｉｔｈ」、またはそれらの変化形が、詳細な説明および／または特許請求の範囲において使用される限り、このような用語は、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」と同様に包含的であることを意図している。

この記載された説明では、最良の形態を含め、本発明を開示するためのいくつかの例を使用し、また、任意の装置またはシステムを作製して使用し、組み込まれた任意の方法を実行するステップを含め、当業者が本発明を実施できるようにするためのいくつかの例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含んでもよい。このような他の例は、特許請求の範囲の記載内容と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の記載内容との差が重要でない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に記載の範囲に存在するものである。

当時出願人に知られていた最良の形態を説明するために、発明を実施するための最良の形態を説明してきた。各例は専ら例示的なものであって、本発明を限定するものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲および価値によって判断される。好ましい代替実施形態を参照して、本発明を説明してきた。本明細書を読んで理解すれば、修正形態および代替形態を他者が思いつくことは明らかである。添付の特許請求の範囲に記載の範囲、またはその均等物の範囲内にある限り、こうした全ての修正形態および変更形態を含むものである。

１００ 溶接システム
１０１ タングステン電極すなわち溶接電極
１０２ 溶接ガスすなわちシールド・ガスの供給装置
１０３ スプール
１０４ ワイヤ・ガイド
１０５ 消耗性ワイヤ
１０７ レギュレータ
１１０ 電源
１１５ 表示装置
１２０ トーチ
１３０ ワイヤ供給装置
１４０ 溶接ワイヤ電源
１５０ 波形発生器
１６０ 制御装置
１６５ メモリ
１７０ アンペア数入力部
１７５ 直径センサ
１８０ 開始電流入力部
１９０ 波形
１９５ ユーザ操作制御装置
２００ 波形
６００ 流れ図
６１０ ステップ
６２０ ステップ
６３０ 選択された波形
７１０ ステップ
７２５ ステップ
７４０ ステップ
８３０ ステップ
８４０ ステップ
８５０ 溶接作業
Ｄ１ 第１のパルス持続時間
Ｄ２ 第２のパルス持続時間
Ｐ１ 第１のパルス
Ｐ２ 第２のパルス
Ｓ シールド・ガス
Ｗ ワイヤ

Claims (15)

1. 互いに通信する制御装置（１６０）を有する電源（１１０）であって、前記制御装置が少なくとも１つの波形（１９０、２００）を記憶するメモリ（１６５）を有する電源（１１０）と、
   前記制御装置（１６０）に電気的接続された電極（１０１）を備える溶接トーチ（１２０）であって、前記電極（１０１）が一定の長さと直径を有する溶接トーチ（１２０）と、
   前記制御装置（１６０）と通信し、ユーザ選択された溶接アンペア数を受信するように構成されたアンペア数入力部と
   を備え、
   前記ユーザ選択されたアンペア数に基づいて少なくとも１つの波形（１９０、２００）のうちから１つの波形を選択し、前記選択された少なくとも１つの波形に従って前記電源（１１０）から前記電極（１０１）に電力を供給するように前記制御装置（１６０）がプログラムされ、前記少なくとも１つの波形（１９０、２００）が、少なくとも１つのパルス（Ｐ１、Ｐ２）を含むアーク開始段階（図４、５）を含み、前記アーク開始段階中には、アークの電流または電圧をユーザが制御できないように前記制御装置が構成され、前記ユーザ選択された溶接アンペア数で定常状態に達すると、前記電極に印加される前記アークの電流または電圧をユーザが制御できるように前記制御装置が構成され、好ましくは、前記波形が、パルス高パラメータおよびパルス持続時間パラメータを含むことを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
2. 請求項１に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記波形が、２アンペアよりも大きく、かつ前記溶接アンペア数よりも小さい開始電流を含んでいて、溶接プールに電力を早期に供給し、前記アーク開始段階中に、前記波形がアーク開始電流から前記開始電流に遷移して順次実行段階を開始し、前記順次実行段階中に、前記波形が、前記開始電流から前記溶接アンペア数に遷移することを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
3. 請求項２に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記アーク開始段階が複数のパルスを含み、前記遷移が複数のパルスを含み、それぞれが一定のパルス高を有し、それぞれの前記パルス高が徐々に低下した後に前記開始電流に達することを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記波形がさらに、正側対負側のパルス比を含み、好ましくは、前記正側対負側のパルス比が１未満であることを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記電極の前記直径を検出するように構成されたセンサであって、前記制御装置と通信するセンサをさらに備え、前記電極の直径および前記ユーザ選択されたアンペア数が適合しているかどうか、前記電極に電力を加える前に前記制御装置が判定することを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記アンペア数入力が、アーク開始アンペア数を含むことを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記少なくとも１つの波形がさらに、開始電流を有する順次実行段階を含み、前記アーク開始段階の前記少なくとも１つのパルスに続く１つまたは複数のパルスを、前記開始電流まで徐々に減少させることによって、前記少なくとも１つの波形が、前記アーク開始段階から前記順次実行段階に遷移し、前記開始電流が前記溶接電流とは等しくなく、好ましくは、前記順次実行段階中に、前記制御装置が、前記アーク電流または電圧の制御をユーザ操作制御装置に移すことを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
8. 請求項１乃至７の何れか１項、および特に請求項７に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記制御装置と通信する開始電流入力部をさらに備え、前記開始電流入力部が、前記少なくとも１つの波形の前記順次実行段階のための前記開始電流を確立することを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載のＴＩＧ溶接システムにおいて、前記順次実行段階中に、前記波形がさらに低下部分を含み、ここで前記アーク電流または電圧の制御が前記ユーザ操作制御装置から前記制御装置に移され、前記制御装置が、前記低下部分において前記アーク電流または電圧をユーザが制御できないように構成され、前記低下部分において、前記波形が、選択された低い値に前記電流を減少させ、好ましくは、前記選択された低い値が２アンペア未満であることを特徴とするＴＩＧ溶接システム。
10. アンペア数入力を受信するステップと、
    前記アンペア数入力に基づいてメモリから波形を選択するステップであって、前記波形が前記アンペア数入力に従って推定されたパラメータを含み、前記波形がアーク開始段階および順次実行段階を含むステップと、
    前記波形に従って電極を励振するステップと、
    前記アーク開始段階中は、前記電極へのエネルギーの制御をユーザができないようにするステップと
    を含むことを特徴とする、ＴＩＧ溶接機を制御する方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記パラメータが、パルス振幅、パルス持続時間、再点孤の数および持続時間を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１０または１１に記載の方法において、前記パラメータがさらに、開始電流ならびに／または収束電流およびポストフローについてのパルス漸減プロファイルを含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の方法において、開始電流入力を受信するステップをさらに含み、前記波形が、アーク開始段階電流から前記開始電流に遷移して、前記順次実行段階を開始することを特徴とする方法。
14. 請求項１０乃至１３の何れか１項、および好ましくは請求項１３に記載の方法において、遷移する前記ステップが、前記アーク開始パルスの前記パルス振幅を徐々に減少させるステップと、前記開始電流まで徐々に増加させるステップとを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１０乃至１４の何れか１項、および好ましくは請求項１４に記載の方法において、前記順次実行段階中に、前記波形が、前記開始電流から溶接電流まで上昇し、前記溶接電流に達したら、前記制御装置によって、前記電極への前記エネルギーをユーザが制御できるようになることを特徴とする方法。

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